Guia de Projeto Elétrico de Centrais Eólicas

GUIA DE PROJETO ELÉTRICO DE CENTRAIS EÓLICAS Volume I Projeto Elétrico e Impacto de Centrais Eólicas na Rede Elétrica Autores: Pedro André Carvalho Rosas Centro Brasileiro de Energia Eólica – CBEE (Brasil) Ana Isabel Estanqueiro Instituto Nacional de Engenharia e Tecnologia Industrial – INETI (Portugal)

Editores: Everaldo Alencar feitosa, Ph.D. Alexandre de Lemos Pereira, Ph.D.

Apoio:

http://www.wwindea.org

Recife 2003

EDITORES: Everaldo Alencar Feitosa, Ph.D. Ph.D. em Engenharia Eólica pela Universidade de Southampton – Inglaterra, e Professor da Universidade Federal de Pernambuco. É atualmente diretor do CENTRO BRASILEIRO DE ENERGIA EÓLICA, centro de referência nacional dedicado especialmente ao desenvolvimento de tecnologia para energia eólica, disseminação de informações, treinamento especializado e assessoria a empresas e ao Congresso e Senado. Tem coordenado programas de P&D de energia eólica com entidades internacionais como a União Européia e GEF (Global Environment Facility) - Banco Mundial. É vice-presidente da WORLD WIND ENERGY ASSOCIATION, com sede em Bruxelas e representa o Brasil na RIGE – Rede Íbero-Americana de Geração Eólica. Coordena a implantação do maior sistema híbrido eólico-diesel da América Latina no Distrito Estadual de Fernando de Noronha / Pernambuco e a implantação de diversos projetos de centrais eólicas de grande porte no Brasil. É autor de dezenas de trabalhos científicos publicados em revistas e congressos e é editor do periódico “Wind Energy”, publicado pela John Wiley & Sons, Ltd. / Inglaterra.

Alexandre de Lemos Pereira, Ph.D. Ph.D. em Energia Eólica pela Universidade Técnica da Dinamarca – Dinamarca, professor da Pós-graduação em Energia Eólica da Universidade Federal de Pernambuco e pesquisador do Centro Brasileiro de Energia Eólica. Tem coordenado projetos de pesquisa na área de energia eólica e ministrado cursos no Brasil e exterior. Participa de projetos nacionais e internacionais sobre energia eólica e é autor de várias publicações, incluindo 12 artigos em congressos internacionais. Executou a instalação de várias turbinas eólicas no Brasil e na Dinamarca. Responsável pela operação e manutenção da turbina eólica do CBEE (de potência nominal 225kW) na ilha de Fernando de Noronha.

AUTORES: Pedro André Carvalho Rosas, M.Sc Engenheiro Eletricista com mestrado em Energia Eólica pelo Centro Brasileiro de Energia Eólica – CBEE da Universidade Federal de Pernambuco. É especialista em qualidade de energia elétrica e integração de centrais eólicas. Integrante do Centro Brasileiro de Energia Eólica, atualmente se encontra concluindo doutorado no RISØ National Laboratory – Dinamarca. Publicou modelos para análise de qualidade de energia e estabilidade do sistema elétrico relacionados com energia eólica enfatizando aplicação em larga escala de energia eólica em sistemas de potência.

Ana Isabel Estanqueiro, Ph.D. Engenheira Eletricista com doutorado em Energia Eólica pela Universidade Técnica de Lisboa/PT. Atualmente é diretora da Unidade de Energia Eólica e dos Oceanos do Instituto Nacional de Engenharia e Tecnologia Industrial – INETI em Portugal. É integrante do grupo de trabalho TG88 da International Electrotechnical Commission-IEC para criação de normas internacionais sobre conexão elétrica de turbinas eólicas. Especialista em modelagem de centrais eólicas e análise dinâmica com vários trabalhos publicados na área, realizou diversos estudos de integração de centrais eólicas com ênfase para redes elétricas.

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1 PREFÁCIO

7

2 DEFINIÇÕES

9

3 INTRODUÇÃO

13

4 PROJETO ELÉTRICO DE CENTRAIS EÓLICAS

15

4.1

CARACTERIZAÇÃO DO LOCAL DE INSTALAÇÃO

15

4.2

CARACTERIZAÇÃO DAS TURBINAS EÓLICAS

16

4.3

DIMENSIONAMENTO PRINCIPAL

17

4.3.1 POTÊNCIA E CORRENTE DE PROJETO

17

4.4

SISTEMAS DE PROTEÇÃO

20

4.4.1 SOBRE E SUB-TENSÃO

21

4.4.2 CURTO-CIRCUITO – SOBRE-CORRENTE

21

4.4.3 SOBRE-FREQÜÊNCIA E SUB-FREQÜÊNCIA.

23

4.4.4 PÁRA-RAIOS.

23

4.5

23

ATERRAMENTO DO TRANSFORMADOR ELEVADOR

5 IMPACTO DE CENTRAIS EÓLICAS NA QUALIDADE DE ENERGIA

24

5.1

AVALIAÇÃO DA OPERAÇÃO EM REGIME ESTACIONÁRIO

25

5.2

AVALIAÇÃO DA OPERAÇÃO EM REGIME DINÂMICO

30

5.3

AVALIAÇÃO DA OPERAÇÃO EM REGIME TRANSITÓRIO

33

5.3.1 OPERAÇÃO DURANTE E APÓS OS CURTOS-CIRCUITOS

34

5.3.2 OPERAÇÃO DE PARTIDA, TROCA DE GERADORES E CONEXÃO DE BANCOS DE CAPACITORES

35

5.3.3 DESLIGAMENTOS EM VENTOS DE ALTA VELOCIDADE.

35

6 REFERÊNCIAS

36

ANEXO A. CARACTERÍSTICAS DE TURBINAS E CENTRAIS EÓLICAS

39

A.1. TURBINAS EÓLICAS

39

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SUMÁRIO

3

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4

A.1.1. GERADORES ASSÍNCRONOS OU DE INDUÇÃO

42

A.1.2. GERADORES SÍNCRONOS

43

A.1.3. REGULAÇÃO DE POTÊNCIA

43

A.1.4.

45

MÁQUINAS USUAIS E CARACTERÍSTICAS RELEVANTES

A.1.5. SISTEMA DE CONTROLE

45

A.1.6. INTEGRAÇÃO FINAL NA REDE ELÉTRICA

45

A.2. PARTICULARIDADES DAS CENTRAIS EÓLICAS

46

A.2.1.

DEMANDA DE ENERGIA REATIVA.

46

A.2.2.

CANCELAMENTO DE PICOS DE POTÊNCIA.

47

A.2.3. SUBESTAÇÕES ESPECIAIS.

47

ANEXO B. FUNDAMENTOS DE TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

49

B.1. POTÊNCIA ELÉTRICA INSTANTÂNEA EM REGIME FORÇADO ALTERNADO SENOIDAL

49

B.2. POTÊNCIA ATIVA,

50

B.3.

REATIVA, APARENTE E COMPLEXA

NOÇÕES BÁSICAS DE TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

52

B.3.1. POTÊNCIA DE CURTO-CIRCUITO

53

ANEXO C. AVALIAÇÃO DAS PERDAS ELÉTRICAS

55

ANEXO D. CERTIFICAÇÃO DE QUALIDADE DE ENERGIA

57

ANEXO E. FASES DO PROJETO ELÉTRICO DE CENTRAIS EÓLICAS

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ÍNDICE DE FIGURAS: Figura 1. Curva de ocorrência da potência de saída de uma central eólica.

20

Figura 2. Diagrama unifilar esquemático de conexão de centrais eólicas.

26

Figura 3. Exemplo de um diagrama unifilar de uma instalação de uma central eólica.

27

Figura 4. Determinação do fluxo de potência de uma central eólica de 2,5MW.

28

Figura 5. Tensão ao longo do ramal de distribuição onde se encontra instalada a central eólica. 29

Figura A.1. Curva de potência de uma turbina com regulação de potência com: a) variação do ângulo de pás e b) descolamento do vento (stall). 44 Figura A.2. Caracterização geral da conexão de turbinas eólicas à rede elétrica.

46

Figura A.3. Diagrama geral das diferentes formas de conexão de turbinas eólicas em centrais eólicas. 48

Figura B. 1. Evolução temporal da tensão, corrente e potência instantânea.

50

Figura B. 2. Decomposição da corrente nas componentes ativa e reativa.

51

Figura B. 3. Caracterização do fluxo de energia através do ângulo de defasagem.

51

Figura B. 4. Esquema unifilar simplificado da ligação de uma turbina eólica.

52

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ÍNDICE DE FIGURAS DOS ANEXOS

5

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ÍNDICE DE TABELAS: Tabela 1. Coeficiente de segurança para diferentes tecnologias de turbinas eólicas .............. 18 Tabela 2. Valores convencionais de acionamentos das proteções para sobre e sub-tensões em sistemas de controle de turbinas eólicas .............................................................................. 21 Tabela 3. Relação de análises que devem ser realizadas em função de diferentes condições de redes elétricas [Estanqueiro, 2001]...................................................................................... 25 Tabela 4. Convenção de fluxo de potências de acordo com a convenção da potência injetada no barramento: Pinject.= Pgerada- Pconsumida. ................................................................................ 26 Tabela 5. coeficiente β para cálculo da contribuição harmônica por várias turbinas eólicas ... 33

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Tabela 6. Principais tipos e formas de conexão de turbinas eólicas ....................................... 41

6

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1 PREFÁCIO O potencial eólico brasileiro pela qualidade e distribuição dos ventos vem estimulando iniciativas para o desenvolvimento tecnológico, industrial e de projetos de parques eólicos nas diferentes regiões do País.

A Universidade Federal de Pernambuco - UFPE através do Centro Brasileiro de Energia Eólica - CBEE, líder no país em pesquisa e desenvolvimento na área de energia eólica, tem tido papel fundamental na elaboração e implantação do PROINFA. O grupo de especialistas da UFPE tem se destacado em suas ações em prol do desenvolvimento tecnológico e industrial do País, em cooperação com entidades nacionais e internacionais. O CBEE participa efetivamente da World Wind Energy Association – WWEA e da Rede Ibero-americana de Geração Eólica – RIGE, é a instituição brasileira responsável pelas atividades na área de energia eólica do Solar and Wind Energy Research Assessment Project – SWERA do Programa das Nações Unidas para o Meio-Ambiente e mantém várias outras cooperações estratégicas. A realização do curso de interligação de centrais eólicas ao sistema interligado nacional, realizado em agosto de 2001 em Recife/PE, permitiu identificar, através do debate entre os especilistas presentes, a falta de material técnico no País que pudesse auxiliar especialistas na análise do comportamento de turbinas eólicas quando interligadas às redes elétricas e, também, pudesse orientar o projeto de conexão elétrica de turbinas eólicas e de centrais eólicas na rede elétrica nacional. O Guia de Projeto Elétrico de Centrais Eólicas – Volume I: Projeto Elétrico e Impacto de Centrais Eólicas na Rede Elétrica visa preencher esta lacuna apresentando os principais métodos para realização de projeto elétrico de conexão de centrais eólicas e as ferramentas utilizadas para estimar o impacto de centrais eólicas na qualidade de energia local. A avaliação do funcionamento de turbinas eólicas e as análises de proteção para evitar operações indevidas também são incluídas neste trabalho. Congratulamo-nos com os especialistas representantes de entidades e empresas que participaram do debate acerca da integração de centrais eólicas ao Sistema Elétrico Nacional e contribuíram para a realização deste trabalho, que por certo promoverá

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O Governo Federal criou o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica -PROINFA através da Lei nº 10.438 de 26 de abril de 2002, sancionada pelo Presidente da República, onde está prevista na primeira fase a instalação de 3.300 MW em projetos de Energia Renovável até o ano de 2006.

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a viabilidade e competitividade da energia eólica e a capacitação de novos especialistas para o mercado brasileiro.

Brasília, dezembro de 2002

Ivonice Aires Campos Coordenadora de Ações de Desenvolvimento Energético

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Ministério da Ciência e Tecnologia

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2 DEFINIÇÕES Ângulo de impedância de curto-circuito – ângulo da impedância que representa um equivalente do sistema de potência em um específico ponto da rede elétrica. É definido como:

X cc ) Rcc

Coeficiente de afundamento de tensão devido a operação de chaveamento – ku (ψcc) – coeficiente utilizado nos testes de certificação de turbinas eólicas de grande porte. Este coeficiente define a máxima variação de tensão para três condições específicas: a) Operação de partida com velocidade de vento próxima da velocidade de entrada b) Operação de partida com velocidade de vento próxima da velocidade nominal e c) Na operação de troca de gerador (se a turbina eólica for equipada com dois geradores). Coeficiente de emissão de flicker (cintilamento) em operação contínua – ck (ψcc,va) – coeficiente normalizado que permite estimar a flutuação de tensão em operação contínua de uma turbina eólica em função do ângulo de impedância de curtocircuito do ponto de conexão (ψk) e da velocidade média de vento anual (va). Coeficiente de emissão de flicker devido à operação de chaveamento – kf (ψcc) – coeficiente normalizado que permite estimar a flutuação de tensão durante uma operação de chaveamento (início de geração ou troca de geradores). Este coeficiente é fornecido para 3 condições específicas: a) Operação de partida com velocidade de vento próxima da velocidade de entrada b) Operação de partida com velocidade de vento próxima da velocidade nominal e c) Na operação de troca de gerador (se a turbina eólica for equipada com dois geradores). Corrente de curto-circuito – Icc – corrente de curto-circuito de linha calculada para um local do sistema elétrico. Demanda de reativo em vazio – Q0 – é a potência reativa em regime permanente de uma turbina eólica em vazio (geração nula). É equivalente à potência de excitação mais as perdas no caso de um gerador assíncrono. Gerador assíncrono – máquina assíncrona acionada como gerador. Este tipo de gerador depende de uma fonte externa de excitação e uma referência para freqüência e tensão. Gerador síncrono – gerador que possui uma excitação própria. Fornece uma tensão em uma freqüência que depende diretamente da freqüência de giro do seu eixo mecânico.

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ψ cc = arctan(

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Corrente harmônica - Ih – Corrente da componente harmônica h emitida por uma turbina eólica durante a operação contínua. Impedância de curto-circuito – Zcc – impedância que multiplicada pela tensão nominal ao quadrado resulta na potência de curto-circuito (Scc), também chamada de impedância característica da rede elétrica. O módulo da impedância é definido como |Zcc|=|Rcc+j·Xcc|=|Scc/Un2|. Intensidade de turbulência – IT – indicador da magnitude das flutuações da velocidade do vento calculado pelo quociente entre o desvio padrão e a velocidade média do vento usando a seguinte expressão (valor adimensional):

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IT =

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σ Vmédia

N10 e N120 – números máximos de chaveamentos permitidos em uma turbina eólica para 10 e 120 minutos, respectivamente. Operação contínua – operação normal da turbina eólica excluindo as operações de partida e parada. Operação de troca de geradores – comutação de ligação de geradores ou pólos existente em algumas turbinas eólicas com vista à otimização da potência elétrica produzida. Operação de partida de turbina eólica – início de operação e conexão do gerador à rede elétrica. Ponto de Conexão com o Concessionário – PCC – representa fisicamente o local da separação da central eólica com a rede do concessionário local. Sendo, normalmente, o local onde se instala o sistema de medição da energia gerada. Potência nominal de referência – Pn – é a potência ativa nominal em regime permanente de uma turbina eólica possível de ser definida através de sua curva de potência. Potência de curto-circuito – Scc – Potência elétrica calculada com base na tensão nominal do sistema elétrico e na corrente de curto-circuito (sem as turbinas eólicas). O módulo da potência de curto-circuito é definido como |Scc|= | 3 ·Un·Icc|. Potência máxima admissível – Pmax – é a potência ativa máxima que uma turbina eólica poderá fornecer em regime permanente. Potência máxima em médias de 1 minuto – P1 – é a potência ativa máxima medida em médias de 1 minuto durante os testes de certificação de qualidade de energia.

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Potência máxima instantânea – Pinst. – potência ativa máxima medida em médias de 0,2 segundos durante os testes de certificação de qualidade de energia que atestam a máxima potência que a turbina eólica pode atingir em regime dinâmico. Potência nominal de uma turbina eólica – Si – Valor de potência indicativo da capacidade da máquina fornecido pelo fabricante (nem sempre coincidente com a potência máxima). Potência nominal da central eólica – Scentraleólica – é a soma das potências nominais de todas as turbinas eólicas instaladas em uma central eólica: N t .e.

S centraleólica = ∑ S i Potência nominal de reativo – Qn – é a potência reativa demandada por uma turbina eólica em regime permanente, relativa à potência ativa nominal de referência. Potência reativa na potência máxima em médias de 1 minuto – Q1 – é a potência reativa relativa à potência ativa máxima em médias de 1 minuto. Potência reativa máxima instantânea – Qinst – potência reativa demandada relativa à potência ativa máxima instantânea, medida em intervalos de 0,2 segundos. Pst e Plt – parâmetros de flicker de curto e longo períodos que podem ser entendidos como uma média ponderada da variação de tensão em 10 minutos e em 2 horas, respectivamente. Ramal de ligação – linha elétrica que realiza a ligação da central eólica à rede de distribuição existente ou à subestação do concessionário. Rede pré-existente – rede à qual a central eólica é conectada através de um ramal de ligação. Regulação de potência por estol (“stall”) – forma passiva de controle (limitação) da potência extraída do vento pelo rotor de uma turbina eólica através do efeito aerodinâmico de descolamento do fluxo de vento e conseqüente redução da força de sustentação (“ lift”). Regulação de potência por variação do ângulo de passo (“pitch”) – forma de controle ativo da potência extraída do vento pelo rotor de uma turbina eólica através da variação do ângulo de passo (ângulo de “pitch”) das pás. Relação de curto-circuito – rcc – quociente entre a potência de curto-circuito no ponto de conexão da central eólica e a potência nominal da central eólica:

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i =1

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rcc =

Scc Scentraeólica

Tensão nominal da rede receptora – Un – é a tensão nominal para a qual todas as características elétricas são referidas (valor entre fase-fase). Turbina eólica de rotação constante – classificação onde a velocidade de rotação do rotor da turbina eólica é (praticamente) fixa, normalmente associada à conexão direta à rede elétrica com geradores assíncronos.

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Turbina eólica de rotação variável – classificação onde a velocidade de rotação do rotor da turbina eólica é variável, pode ser normalmente associado ao uso de conversores de potência elétrica e/ou geradores síncronos.

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Velocidade de vento de entrada da turbina eólica (“cut-in”) – velocidade mínima de vento, em m/s, para a qual a turbina eólica inicia a produção de energia elétrica (operação de partida). Valores médios de 10 minutos. Velocidade de vento nominal da turbina eólica – velocidade de vento média (10min) em que a turbina atinge a potência nominal, Si. Velocidade de vento de saída da turbina eólica (“cut-out”) – velocidade máxima de vento (em m/s) para a qual o sistema de controle comanda o desligamento da turbina eólica por razões de segurança. Valores médios de 10 minutos.

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3 INTRODUÇÃO O presente documento foi desenvolvido no formato de um Guia com o intuito de auxiliar no estudo e na elaboração de projetos elétricos de centrais eólicas no Brasil. Aqui são descritos os principais parâmetros para projeto elétrico de centrais eólicas e procedimentos para avaliar o impacto das centrais eólicas na qualidade de energia elétrica. O texto é dividido em dois grandes grupos: 1) projeto elétrico de centrais eólicas e 2) impacto de centrais eólicas na qualidade de energia. Este Guia trata dos principais aspectos do projeto elétrico de centrais eólicas, enumerados abaixo: 1) Dimensionamento e otimização da interligação de uma central eólica; 3) Impactos na qualidade de tensão elétrica; 4) Estudos transitórios e dinâmicos da integração de turbinas eólicas; 5) Problemas de estrangulamento da transmissão de energia elétrica e perdas elétricas; 6) Modificação do planejamento da operação das unidades geradoras e regulação da capacidade de geração; 7) Impacto na estabilidade, confiabilidade e segurança da operação do sistema elétrico como um todo. Nem sempre todos os aspectos acima identificados são relevantes, sendo o bom senso e a experiência importantes na decisão das principais análises a serem conduzidas. No entanto, de uma maneira geral, para o projeto de uma central eólica são necessárias análises envolvendo os quatro primeiros aspectos da lista acima. Os três últimos tópicos são importantes na análise da integração de várias centrais eólicas (ou centrais de grande capacidade), onde a participação da geração de energia eólica na matriz energética regional ou local seja considerável. Os parâmetros elétricos descritos neste trabalho são baseados na norma para garantia da qualidade de energia da conexão elétrica de turbinas eólicas preparada pela Comissão Eletrotécnica Internacional – IEC, Norma IEC 61400-21. Esta norma especifica os parâmetros relevantes para análise da qualidade de energia devido à conexão de turbinas/centrais eólicas, bem como métodos para a certificação da qualidade de energia das turbinas eólicas. Com estes parâmetros é possível estimar o impacto de turbinas eólicas na qualidade de energia no ponto de conexão local. Apesar de existirem recomendações para os valores e limites dos parâmetros, cada projeto deve ser analisado em função das características da rede local e regras dos operadores ou concessionários elétricos locais.

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2) Limites térmicos associados com a rede elétrica;

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Neste Guia também são incluídos anexos sobre a tecnologia de turbinas eólicas modernas e as principais características elétricas de funcionamento dessas máquinas, uma descrição das noções básicas de transmissão de energia elétrica, aspectos de otimização de projeto através da análise de perdas elétricas e um diagrama esquemático apresentando todas as fases de um projeto elétrico de centrais eólicas.

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Os procedimentos e análises contidas neste trabalho aplicam-se a centrais eólicas diretamente conectadas ao sistema elétrico interligado. Não é aconselhado o uso deste Guia para análise de projetos de instalação de turbinas/centrais eólicas em sistemas isolados ou para projetos de sistemas híbridos de energia (combinação de várias fontes de energia) onde a energia eólica tenha considerável participação (tipicamente acima de 15%). Parâmetros de variação de freqüência e estabilidade de geradores síncronos não são considerados na presente metodologia.

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4 PROJETO ELÉTRICO DE CENTRAIS EÓLICAS A energia eólica é uma forma de geração elétrica que se diferencia das fontes convencionais devido a dois importantes fatores: 1) característica aleatória da fonte de energia, o vento e 2) tecnologia utilizada nas turbinas eólicas atuais. As principais diferenças existentes residem nos sentidos dos fluxos de potência elétrica em função do tipo de gerador utilizado, na inexistência de – ou reduzida – capacidade de regulação da potência elétrica entregue à rede elétrica e na eventual necessidade de mecanismos especiais de ligação e sincronismo com a rede elétrica.

4.1 CARACTERIZAÇÃO DO LOCAL DE INSTALAÇÃO O local de instalação deve ser caracterizado através de diversos parâmetros. Essas características são fundamentais para o desenvolvimento do projeto da central eólica e a integração desta na rede elétrica local. Os principais dados que devem ser obtidos para o local podem ser classificados em dois grandes grupos: 1. Caracterização do recurso eólico; 2. Caracterização da rede elétrica de conexão. A caracterização do recurso eólico permite a elaboração do projeto elétrico otimizado onde os equipamentos serão projetados para operar nas condições locais. A caracterização da rede elétrica, por sua vez, é fundamental para a definição dos parâmetros elétricos e na otimização da capacidade da central eólica. A rede elétrica local onde será conectada a central eólica (rede receptora) pode ser caracterizada basicamente através das seguintes grandezas: ¾ Potência de curto-circuito – Scc; ¾ Ângulo de impedância de curto-circuito – ψcc; ¾ Nível e regulação da tensão no ponto de conexão – Un ± ∆U; ¾ Características do(s) transformador(es) da subestação de interligação; ¾ Parâmetros característicos das linhas/cabos de transmissão; ¾ Distância do ponto de conexão à central eólica; ¾ Regime de neutro.

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A seguir são apresentadas as principais etapas na elaboração e execução do projeto elétrico de uma central eólica.

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Para o projeto elétrico básico da central eólica são necessários as informações sobre o nível de tensão de conexão, a distância à central eólica e a potência de curto-circuito da subestação principal de interligação da central eólica ou do seu ramal. Para avaliar o impacto na operação da rede e na qualidade de energia elétrica local são necessários todos os parâmetros citados. Normalmente relaciona-se a potência da central eólica instalada (ou a instalar) com a potência de curto-circuito no local, sendo esta chamada de relação de curtocircuito, e definida pela equação:

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rcc =

16

Scc Scentraleólica

(1)

onde rcc é a relação de curto-circuito, Scentraleólica é a potência aparente nominal da central eólica e Scc é a potência de curto-circuito do ponto de interligação. É comum associar valores elevados da potência de curto-circuito e, consequentemente de rcc,, à denominação de “redes elétricas fortes”. 4.2 CARACTERIZAÇÃO DAS TURBINAS EÓLICAS Os parâmetros elétricos relevantes das turbinas eólicas para a elaboração de um projeto elétrico estão também relacionados com a tecnologia usada e devem ser apresentados pelo fabricante da máquina ou determinados através de testes de certificação independentes. É importante salientar que a maioria das turbinas eólicas existentes no mercado possuem máquinas assíncronas como geradores elétricos. Isto significa que a potência ativa gerada a partir do vento é transmitida para a rede elétrica e, em contrapartida, uma parcela de energia reativa é demandada da rede para excitação do gerador elétrico. Os principais parâmetros que caracterizam uma turbina eólica do ponto de vista elétrico são: ¾ Potência ativa nominal Pn (kW); ¾ Tensão nominal Un (V); ¾ Demanda de energia reativa em função da potência ativa Q=f(P); ¾ Sistema de compensação de energia reativa e estratégia de compensação; ¾ Demanda de reativo na potência nominal Qn (kVAr); ¾ Demanda de reativo em vazio Q0 (kVAr); ¾ Corrente nominal In (A);

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¾ Potência máxima admissível Pmax (kW); ¾ Potência máxima instantânea Pinst (kW). Os quatro primeiros parâmetros (sublinhados) são importantes para o projeto elétrico de uma central eólica e servem para caracterizar a interligação da central eólica à rede elétrica. O conjunto completo de parâmetros indicados acima são relevantes para a análise da qualidade da energia elétrica entregue no ponto de conexão.

A caracterização do fluxo de potência reativa é essencial para a determinação da potência máxima na rede elétrica e, através da simulação da operação da central eólica, para a determinação dos níveis máximos e mínimos de tensão alcançados durante a operação da central em regime permanente. Conseqüentemente, o dimensionamento do sistema de compensação de energia reativa torna-se fundamental para definir a potência elétrica nos condutores e transformadores e verificar o perfil de tensões da rede local. 4.3 DIMENSIONAMENTO PRINCIPAL

4.3.1POTÊNCIA E CORRENTE DE PROJETO A potência elétrica aparente de projeto é definida como sendo a soma complexa da potência ativa máxima admissível e a respectiva demanda de potência reativa, quando não compensada localmente na sua integridade. Assim, a potência aparente de projeto Sprojeto é encontrada através da equação abaixo S projeto = f ⋅

(Pmax )2 + (Qmax )2

(2)

onde f é um fator de segurança (somente aplicável nos casos onde os valores máximos admissíveis de potência para as turbinas eólicas não tenham sido fornecidos pelo fabricante. Este fator pode ser estimado através da Tabela 1:

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A análise da potência máxima de projeto de uma central eólica e o conseqüente dimensionamento dos equipamentos de interligação, elevação de tensão e de proteção são realizados em função das potências máximas especificadas para cada tipo/modelo de turbina eólica.

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Tipo de tecnologia usada Regulação de potência por estol (“stall”)

f 1,1-1,2

Regulação de potência por variação do ângulo de passo das pás 1,05-1,3 (“pitch”)1 Regulação através de sistemas de controle e eletrônicos de potência integrados2

1,0

Tabela 1. Coeficiente de segurança para diferentes tecnologias de turbinas eólicas.

Em seguida pode-se calcular a corrente elétrica de projeto através da equação

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I projeto =

18

S projeto 3 ⋅U n

(3)

Onde Iprojeto é a corrente nominal de projeto, Un é a tensão nominal nos terminais da turbina eólica e Sprojeto é a potência elétrica aparente de projeto calculada com a equação (2). A corrente nominal de projeto é usada para especificar a seção mínima dos cabos elétricos de conexão da turbina eólica à subestação bem como a corrente mínima do lado secundário do transformador. Este parâmetro é também conhecido como limite térmico do projeto. A corrente elétrica de projeto de uma central eólica, no ponto de conexão, depende da tensão nominal na conexão, do número de turbinas eólicas e da corrente de projeto das turbinas eólicas no interior do parque. Assim sendo, a corrente de projeto pode ser especificada como apresentada na equação seguinte N t .e .

I projeto,i

i =1

RTi

I projeto conexão = ∑

(4)

Onde Iprojeto conexão é a corrente elétrica de projeto do ramal de ligação, Iprojeto,i é a corrente de projeto da turbina eólica i calculada a partir da equação (3), RTi é a relação de transformação do transformador da turbina eólica i e Nt.e. é o número total de turbinas eólicas na central eólica.

1

É importante observar que turbinas eólicas com regulação por pitch, sem mecanismos de controle dos picos de

potência, podem ser dinamicamente mais prejudiciais para a rede que as turbinas controladas por stall, porque as oscilações mais representativas são introduzidas na proximidade da potência nominal onde o controle de potência está em funcionamento contínuo. 2

Neste caso a potência máxima será limitada pelo sistema de controle, sendo fundamental o conhecimento das

características do sistema de controle e eletrônicos de potência.

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Caso seja usado um transformador elevador de tensão na subestação da central eólica, a corrente elétrica no lado secundário do mesmo é necessariamente proporcional à relação de transformação deste.

Normalmente, esta metodologia alternativa de projeto justifica-se para locais com regimes de vento fracos a médios, tendo em conta a curva de distribuição da potência de uma central eólica (Figura 1), onde a percentagem do tempo de operação à potência nominal é consideravelmente baixa. A Figura 1 mostra em (a) a curva de probabilidade de ocorrência de velocidade de vento para um local onde a distribuição estatística de Weibull tem os seguintes parâmetros: k=2 e c=8m/s; em (b) a curva de potência típica de uma turbina eólica de 500kW e em (c) a curva de distribuição de potência de uma central eólica hipotética constituída de 10 turbinas eólicas de 500kW. Pode-se observar que apesar da potência nominal da central eólica ser 5MW em 70% do tempo a potência total gerada fica a baixo de 2MW. Isto significa que pode-se reduzir o custo de conexão elétrica de uma central eólica em detrimento dos picos de geração.

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O dimensionamento elétrico realizado com as grandezas de projeto apresentadas nas equações (2) a (4) representam uma abordagem relativamente conservadora. Para alguns locais específicos pode ser mais vantajoso, do ponto de vista econômico, realizar a especificação do ramal de ligação e do transformador da subestação com uma potência inferior à potência nominal instalada no parque. Este procedimento, entretanto, requer a utilização de sistemas de supervisão e controle central para a central eólica. Este controlador central deverá monitorar a produção de energia eólica total e, se necessário, diminuir a geração da central eólica para respeitar os limites térmicos do ramal e/ou transformador instalados.

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Weibul distribution, k=2, c=8

Ocorrencias de Vento (%)

10

5

0

0

5

10 15 Velocidade de Vento (m/s)

20

Potencia (kW)

600 400 200 Curva de potencia de uma turbina 0

0

5

10 15 Velocidade de Vento (m/s)

20

20

Potencia gerada pela central (kW)

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6000 4000 2000 0

10

20 30 40 50 60 70 80 Distribuicao acumulada da potencia gerada na central eolica(%)

90

100

Figura 1. Curva de distribuição de potência de uma central eólica com potência nominal de 5MW (10 x 500kW).

A decisão sobre os critérios de dimensionamento depende fundamentalmente da análise econômica dos diferentes cenários, isto é, análises que levem em consideração a característica do vento do local, o custo de não geração de energia em algumas horas do ano e o custo de instalação de um transformador central com a potência nominal da central eólica. 4.4 SISTEMAS DE PROTEÇÃO O projeto elétrico das turbinas eólicas deve incluir uma análise das proteções elétricas. Estas proteções incluem: ¾ Sobre e sub-tensão; ¾ Curto-circuito; ¾ Sobre e sub-freqüência. ¾ Pára-raios.

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4.4.1SOBRE E SUB-TENSÃO Todas as turbinas eólicas comerciais são fornecidas com um sistema de controle que supervisiona e controla os parâmetros operacionais da máquina, o que inclui as proteções e a gestão do sistema individual de compensação de energia reativa.

Nível de acionamento (p.u)

Tempo de integração (segundos)

Sub-tensão

0,90

60

Sobre-tensão nível 1

1,10

60

Desligamento dos capacitores

1,06

---

Sobre-tensão nível 2

1,20

0,2

Parâmetro

Tabela 2. Valores convencionais de acionamentos das proteções para sobre e sub-tensões em sistemas de controle de turbinas eólicas .

O desligamento do banco de capacitores tem como objetivo evitar o desligamento da turbina por sobre-tensão nível 1, pois o desligamento dos capacitores força o aumento no fluxo de potência reativa proveniente do concessionário, provocando a queda de tensão na linha elétrica e reduzindo o nível de tensão nos terminais da turbina eólica.

4.4.2CURTO-CIRCUITO – SOBRE-CORRENTE Tanto a operação de partida como a operação contínua da turbina eólica podem, em algumas circunstâncias, ocasionar correntes acima da corrente nominal. A análise das correntes máximas que normalmente ocorrem na operação de turbinas eólicas é apresentada a seguir. Como esperado, a ligação de uma turbina eólica à rede elétrica tem um impacto diferente que depende da sua tecnologia construtiva e operativa (podendo se apresentar de duas formas distintas: turbinas diretamente conectadas à rede e turbinas com conversores de freqüência). As Turbinas conectadas diretamente à rede possuem, em geral, um sistema de limitação de corrente denominado “soft-starter”, que limita a corrente em até 3 vezes a corrente nominal. Sem este sistema, os geradores assíncronos, durante a conexão, poderiam apresentar correntes similares as correntes de partida dos motores convencionais, que podem atingir valores de até 13 vezes a corrente nominal.

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No sistema de controle é possível especificar condições de desligamento por sobre ou sub-tensão. A Tabela 2 apresenta os parâmetros de regulação convencionais relativos às proteções especificadas nos sistemas de controle das turbinas eólicas.

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Para turbinas eólicas com conversores de freqüência, a corrente de ligação é controlada pelo sistema de controle e apresentam, em condições normais, valores consideravelmente baixos. Ainda assim, na ausência de informações detalhadas por parte dos fabricantes, é recomendável que se aplique para o projeto de instalação de turbinas eólicas deste tipo um fator de segurança idêntico às turbinas com ligação através de “soft- starter”. Assim, em ambos os casos, a máxima corrente durante a partida de uma turbina eólica pode ser calculada com a expressão:

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I max imo− partida = ki ⋅ I n ,i

22

(5)

onde ki é o fator de máxima corrente acima da corrente nominal In para a i-ésima turbina durante a partida (quando não fornecido pelo fabricante, pode ser estimado através do fator ku,i(ψcc), fator de afundamento de tensão momentâneo durante a partida). Esta corrente deve ser calculada para todas as turbinas da central eólica, pois considera-se muito difícil que duas turbinas eólicas executem a ligação à rede ao mesmo tempo. Desta maneira, a soma das correntes máximas não é aplicada. Durante a operação contínua das turbinas eólicas, a potência máxima medida em intervalos de 0,2s é usada para analisar a máxima corrente. Nesse caso, assumindo a distribuição espacial das turbinas eólicas, existe um fator de compensação que reflete a potência de várias turbinas na central eólica [IEC61400-21]. Nt .e.

P0, 2−c = ∑ Pn ,i + i =1

Nt .e.

Q0, 2−c = ∑ Qn ,i + i =1

I max −c =

(P

− Pn,i )

2

0 , 2 ,i

(Q

0 , 2 ,i

(6)

− Qn ,i )

2

1 2 2 ⋅ P0, 2−c + Q0, 2−c 3 ⋅U n

(7) (8)

Onde o subescrito “c” indica operação contínua e 0,2 indica a potência máxima medida em 0,2 segundos (parâmetros fornecidos pelo fabricante). As constantes de tempo das proteções de sobre-corrente no ponto de conexão devem ser reguladas para valores elevados, pois durante a operação contínua das turbinas existem picos de potência que podem facilmente chegar a 60% em valores instantâneos (mesmo que em média estejam dentro de parâmetros especificados pelos fabricantes). Estes são normalmente filtrados pelos transformadores da central eólica, por isso não representam conseqüências negativas para a rede local.

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4.4.3SOBRE-FREQÜÊNCIA E SUB-FREQÜÊNCIA. Considerando que turbinas eólicas diretamente conectadas, têm a velocidade de rotação sincronizada pela freqüência da rede elétrica – sendo assim máquinas passivas, sem qualquer capacidade de regulação de freqüência – existe a necessidade de incluir proteções de salvaguarda da própria turbina com relação a ocorrências de alta e baixa freqüências.

Em locais isolados, com a combinação de sistemas híbridos de energia e redes relativamente fracas com grande contribuição de energia eólica, a freqüência da rede elétrica pode ser bastante afetada pela geração eólica.

4.4.4PÁRA-RAIOS. Os pára-raios são instalados nos terminais de média tensão dos transformadores para evitar que sobre tensões transitórias vindas da rede sejam transferidas para as turbinas eólicas. O sistema de controle também possui um sistema de pára-raios, para evitar maiores danos aos equipamentos eletrônicos instalados. Recentemente, face ao elevado número de descargas elétricas sofridas pelas pás das turbinas eólicas, alguns fabricantes incluem um sistema de pára-raios internos nas pás. 4.5 ATERRAMENTO DO TRANSFORMADOR ELEVADOR É imperativo que um dos lados do transformador elevador seja conectado em delta, eliminando assim a circulação de corrente de seqüência zero, pois alguns fabricantes conectam os geradores em delta ou em estrela não aterrado, evitando a circulação de corrente de curto-circuito monofásica pelo gerador. Apesar de não aterrar o neutro do gerador, um sistema de terra deve ser feito para o neutro do transformador, bem como para os pára-raios, para o sistema de controle e para a proteção de toque dos componentes metálicos da turbina eólica. O aterramento deve seguir as recomendações de norma. Normalmente, utilizam-se as ferragens da fundação da turbina eólica para melhorar o aterramento.

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Normalmente o sistema de controle de turbinas eólicas comerciais possui parâmetros ajustáveis para desligamento, caso a freqüência esteja fora dos valores normais de operação, o que representa uma tolerância de +1Hz e –3Hz [Tande, 2001].

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5 IMPACTO DE CENTRAIS EÓLICAS NA QUALIDADE DE ENERGIA A variabilidade do vento, aliada a outros fatores dinâmicos das turbinas eólicas, pode ocasionar, em algumas circunstâncias, distúrbios nos padrões de qualidade da rede elétrica local.

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Variações cíclicas diárias do vento são apontadas como a causa principal das variações lentas de tensão, também chamadas variações estáticas da tensão.

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As variações da velocidade do vento em escalas de tempo de milissegundos a minutos, também chamadas de turbulência atmosférica, aliadas à aspectos dinâmicos estruturais das turbinas eólicas são responsáveis pelas variações dinâmicas de tensão, normalmente contabilizadas através do fenômeno de cintilação (flicker3). Neste contexto, os parâmetros apresentados no capitulo anterior, referentes às turbinas eólicas e à caracterização do local (recurso eólico e características da rede) devem ser ampliados e devidamente especificados na perspectiva da avaliação da qualidade da energia. A caracterização do potencial eólico permite conhecer as variações lentas da tensão e averiguar a eventual necessidade de instalação de transformadores com regulação em carga. Os parâmetros de caracterização da rede elétrica local – potência de curto-circuito e o ângulo da rede no ponto de ligação – devem ser medidos ou estimados de maneira adequada para a correta definição do impacto da potência eólica no perfil da tensão na rede elétrica local. O valor da potência de curto-circuito irá definir será o melhor tipo de análise a ser conduzida. Através da relação de curto-circuito é possível indicar as análises relevantes para a integração das centrais eólicas conforme apresentado na Tabela 3.

3

Flicker é um termo de origem inglesa, que é usado para indicar flutuações de tensão visíveis a olho nu, ele

também é chamado de cintilação de tensão. Flicker pode ser entendido como uma média ponderada das variações de tensão em freqüências da ordem de 0 a 10Hz.

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Relação de curto-circuito rcc ≥ 20

10 ≥ r cc < 20

Análises fundamentais Perfil de tensão no ramal. Obs.: não deverão existir problemas de conexão elétrica

Análise estática do nível de tensão no ramal de ligação e no ramal de distribuição que serve a central eólica. Obs.: podem ser necessárias análises dinâmicas da tensão.

r cc>1, o efeito da injeção de energia eólica dependerá do balanço entre os fluxos de potência ativa e reativa no ramal (ver Anexo B). O nível de tensão no ponto de conexão da central eólica pode, de uma maneira analítica, ser estimada através da equação

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Tabela 3. Relação de análises que devem ser realizadas em função de diferentes condições de redes elétricas [Estanqueiro, 2001].

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U ce =

U 2 + 2 ⋅ ( R ⋅ P + Q ⋅ X ) + U 4 + 4 ⋅ ( R ⋅ P + Q ⋅ X ) ⋅ U 2 − 4 ⋅ ( X ⋅ P + R ⋅ Q) 2 2

(9)

Onde P representa a potência ativa gerada pela central eólica e Q é a potência reativa demandada pela central eólica, considerando a seguinte convenção de sinais: R+jX

P + j⋅Q Uce

U

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Figura 2. Diagrama unifilar esquemático de conexão de centrais eólicas.

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Na Figura 2, U é a tensão nominal de representação do sistema elétrico de potência, R+jX é a impedância característica no ponto de conexão da central eólica e Uce é a tensão no ponto de conexão da central eólica. Convém, neste momento, realçar as convenções de sinais para o fluxo de potência no ponto de conexão da central eólica. A Tabela 4 apresenta um sumário da convenção de sinais para centrais eólicas como especificado em [Estanqueiro et. al, 1997]. Potência ativa

Potência reativa

Fator de potência

P>0

Q>0

capacitivo

(entrega à rede)

(entrega à rede)

(0